Naše zkušenosti s ledem byly po generace omezeny na jeho nejběžnější formu, šestiúhelníkový led (Ih) – takový, který ochlazuje nápoje a činí zimní silnice zrádnými. Vědci však tyto konvenční hranice boří vytvořením více než 20 exotických struktur ledových krystalů, které existují pouze pod extrémním tlakem a teplotou. Tyto tvary, s nimiž se v každodenním životě pravděpodobně nikdy nesetkáte, odhalují úžasnou složitost skrytou v nejjednodušší molekule na Zemi: H₂O.
Překvapivě složitý svět vody
Základem všech druhů ledu je samotná molekula vody, skládající se z jednoho atomu kyslíku vázaného na dva atomy vodíku pod úhlem 104,5 stupňů. Mezi různými formami ledu se nemění molekula, ale to, jak tyto molekuly interagují prostřednictvím slabých vodíkových vazeb. Tyto vazby, které jsou extrémně citlivé na teplotu a tlak, určují jejich uspořádání v krystalových strukturách.
Tato uspořádání se mohou pohybovat od šestiúhelníkového hranolu obyčejného ledu po kubické, romboedrické a tetragonální mřížky, vše je dáno chováním těchto vodíkových vazeb. Tato citlivost dává vodě to, co vědci nazývají „kvantové chování“ – to znamená, že malé změny podmínek mohou způsobit, že se molekuly posunou do dramaticky odlišných vztahů.
Jak vědci vytvářejí exotický led
K odhalení těchto skrytých forem používají vědci extrémní podmínky. To zahrnuje aplikaci 3000násobku atmosférického tlaku nebo chladicí vody na -200 °C s přidaným hydroxidem draselným, někdy během několika týdnů.
Nejnovější pokrok, publikovaný v časopise Nature Materials, je Ice XXI, nestálá blokovitá krystalická struktura vytvořená intenzivním stlačením. Vědci pozorovali tuto přechodnou formu pomocí rentgenového laseru s volnými elektrony – v podstatě vysokorychlostní kamery, která dokáže zachytit jevy, které existují jen na okamžik.
„Pozorování věcí při velmi vysokých rychlostech nám umožňuje pozorovat podivné a úžasné jevy,“ vysvětluje Ashkan Salamat, fyzikální chemik z University of Nevada v Las Vegas.
Mimo Zemi: Kde může existovat exotický led
I když se tyto exotické ledové struktury na Zemi přirozeně nevyskytují, mohou se vyskytovat v útrobách vzdálených planet nebo měsíců. Hluboko uvnitř Neptunu nebo uvězněné uvnitř ledových měsíců může tlak a teplota umožnit vznik těchto struktur.
Prozatím však laboratoř zůstává hlavní hranicí pro objevování. Jak poznamenává Salamat: “Stále existují nové a vzrušující věci, které můžeme objevit.” Tento výzkum rozšiřuje naše chápání hmoty v extrémních prostředích a naznačuje možnost ještě podivnějších forem ledu, které dosud nebyly objeveny.
Hledání exotického ledu není jen akademické cvičení. Odhaluje základní vlastnosti vody a hmoty samotné a posouvá hranice toho, co jsme si mysleli, že je možné v nejjednodušší, ale nejdůležitější molekule ve vesmíru.
